西南地區蝕變巖成因及演化分析

巖屑及其工程性質是巖漿巖工程中常見的工程性質之一。例如，云南、西藏鐵路和許多水利工程，尤其是西南部，經常會出現巖體侵蝕。蝕變通過改變巖體內部的部分礦物成分、結構-構造類型等,改變原生巖體的力學特性,并由于蝕變的差異性,造成巖體性狀的不均勻,甚至形成局部的工程巖體軟弱帶,影響著巖體的工程性質,嚴重制約著我國西南地區的工程建設。本文作者針對地處歐亞板塊與印度板塊之間西南某工程區存在的蝕變巖,從蝕變巖體的分布規律、地質成因機理角度分析了蝕變巖體的工程地質特性,為蝕變巖的工程質量評價、工程地質問題的判斷及相應工程措施的制定提供了依據。1巖石侵蝕是由于條件1.1工程區地質構造背景工程區位于青藏高原東南部的滇西北高原怒江流域,東西兩側分別發育有瀾滄江和獨龍江,在區域上位于印度洋板塊與歐亞板塊之間的三江造山帶。在地質歷史上,三江造山帶經歷了多期強烈的構造巖漿作用并伴隨發生巖漿熱液成礦和熱液蝕變作用。如中侏羅世末期,劇烈的燕山運動,使瀾滄江以西的怒江地區擠壓抬升,結束了長期接受沉積的局面。在該時期,印度板塊快速地向東、向北東方向運動并俯沖于其北部及東部一些原始斷塊之下,致使測區上升隆起,造成了工程區內以NE—NEE向的近水平壓應力為最大主應力的構造應力場;并一直持續到現在。在工程區,主要巖性片麻巖性脆,在構造應力作用下,形成大量不同規模的結構面,這也為巖石熱液蝕變的發生提供了必要的構造條件。同時,三江成礦帶是喜馬拉雅-三江成礦域的重要組成部分,跨越青藏東部、川滇西部的橫斷山區。該帶地處特提斯-喜馬拉雅構造帶的東部及向南急轉彎部位,是中國最重要的巖漿熱液成礦域之一。通過對三江成礦帶-巖漿活動和構造-流體作用規律分析及,大致可劃分出4個蝕變帶:大理-金坪基性和超基性帶;金沙江基性和超基性巖帶;中甸-麗江中性和中酸性斑巖帶;瀾滄江基性和超基性巖帶。其中中甸-麗江中性和中酸性斑巖帶單個巖體復雜,規模較小,主要巖石類型為閃長玢巖、花崗閃長玢巖、石英二長斑巖、二長花崗斑巖,多分布在區域性大斷裂兩側。根據野外勘測資料顯示,工程區附近主要以中酸性侵入巖為主,巖性與中甸-麗江蝕變帶巖性相近,且工程區位于一個較大型的右行走滑剪切應力場內,因工程區的蝕變接近中—麗蝕變帶。同時,工程區巖石的礦物成分表明,該區內主要以石英、斜長石和鉀長石為主,而黑云母和角閃石含量少,因而主要蝕變類型為長石高嶺石化以及綠泥石部分取代巖石中的暗色(如黑云母和角閃石)礦物的綠泥石化。部分蝕變處存在黃鐵礦和石膏,表明它們為低溫熱液蝕變的產物。蝕變的巖體有花崗巖(如圖1(a)所示)、白崗巖脈(如圖1(b)所示)以及裂隙面的綠泥石化(如圖1(c)所示)。1.2斷裂體系及構造差異斷裂裂隙是地下熱水溶液運移的通道,也是水-巖進行物質交換與熱液蝕變的主要場所。構造和蝕變的關系突出表現在斷裂構造的方向、規模和程度直接控制著熱液蝕變發育的方向、規模和程度。根據區域地質構造,工程區位于一個較大型的右行走滑剪切應力場內,其內部發育一系列強應變帶,而強應變帶一般沿巖層或不同巖性分界發育,由于印度大陸與歐亞大陸的會聚仍在進行中,其對應的構造應力場仍然存在。在該區NE和NW走向的斷裂較發育,其中NE40°~70°組在該工程區內最為發育,延伸較長,規模較大,有利于水溶液的流通與蝕變交代;并且斷層性質以張扭或壓扭性為主,斷層帶多由碎裂巖及片狀巖組成,部分斷層帶物質呈膠結狀;個別斷層帶物質長石有蝕變現象,厚度多小于2.0cm。沿張性斷層帶及影響帶通常有滲水、滴水,甚至涌水現象,如f52,F53,f59和f70等。熱液沿主要張扭性斷裂運移,并向斷裂兩側次級裂隙擴散。因此,由斷裂中心向兩側,蝕變帶由強到弱發育著不同蝕變程度的蝕變巖,表現出構造部位對蝕變巖類型和強度分帶的明顯控制作用。1.3地下水的水文地質對工程區兩岸平硐現場調查(2007-07-08,滇西北雨季)表明,不僅硐口淺表層強卸荷帶巖體,具有顯著的滲水涌水現象,而且在硐深100~200m巖體深部也有裂隙滲水現象,尤其右岸NNW向張性裂隙的滲水現象,所調查的平硐硐底積水現象普遍,表1給出工程區左岸平硐斷層泥、裂隙充填物采樣室內試驗成果。左岸PD201平硐和PD105平硐的3個水樣水化學分析結果如表2所示。從表2可知:地下水的礦化度很低(小于100mg/L),水化學類型均為HCO3--Ca2(10)型水,HCO3-含量在39.55~54.68mg/L之間。一般來說,滲水量越大,HCO3-含量越大。如PD201平硐82m處有滴水,HCO3-含量為54.68mg/L,SO42-含量為11.86mg/L。PD105平硐中125m的f15斷層處有滲水,含量為39.55mg/L,SO42-含量為2.37mg/L,這表明工程區巖體中地下水與大氣降水具有顯著的直接水力聯系,補給、滲流、排泄條件良好。同時,地下水化學分析結果表明,其地下水化學類型為HCO3-,SO42--Ca2+,兩者差異除了取樣點不同外,雨季地下水的淡化是個不可忽視的重要因素。2結構面蝕變的基本構造模型圖2所示為工程區平硐平面布置圖,表3所示為平硐高程分布表。對現場踏勘與平硐資料統計分析表明,得到了工程區巖石蝕變的分布規律。(1)工程區左岸平硐揭露的蝕變巖石結構面的傾向、傾角極點密度如圖3(a)所示。從圖3可以看出:左岸蝕變結構面以陡傾結構面為主,中等傾角結構面較少,緩傾的基本未見。走向為NEE方向一組陡傾結構面最為發育,其次是走向NW方向一組陡傾的,走向為NE方向一組中等傾角結構面見少量發育。(2)從圖3(b)可以看出:右岸蝕變巖結構面以陡傾為主,緩傾—中緩傾結構面較少。且走向為NWW—NW方向陡傾結構面最為多見,這與右岸較大規模斷層發育位置相當,說明了結構面蝕變受構造作用影響較大。(3)綜合兩岸情況,兩岸發生蝕變的結構面均以陡傾角結構面為主,且主要受規模較大構造的影響。從發生蝕變的結構面發育位置看,多發育在岸坡弱卸荷帶或弱風化帶以外的岸坡巖體中,微風化帶中見少數發育,新鮮巖體中結構面蝕變現象十分少見;同時,從蝕變結構面的分布高程上,一般中、高高程平硐內蝕變結構面發育程度要比低高程多,這與高高程一般卸荷深度較大有關。此外,在地下水活動強烈地帶結構面蝕變現象更為普遍。因此結構面蝕變現象受卸荷、風化、地下水等外界改造作用影響較大,結構面蝕變通常沿著巖體軟弱面發生。3成礦區域廣泛蝕變巖與熱液成礦作用密切相關,由于巖漿活動劇烈,蝕變巖區往往成為重要的成礦地帶[9,10,11,12,13,14,15,16]。滇西北藏東南三江造山帶不僅是巖漿活動強烈頻繁,而且是國內外著名的熱液成礦區,活動強烈,成礦時間長,成礦類型多,成礦區域廣泛。因此,該區域黏土化蝕變巖類型多,分布廣。喜馬拉雅三江成礦域屬于喜馬拉雅-三江成礦域中察隅-騰沖Sn+W+Pb+Zn+Hg+Ag+Au成礦帶工程區巖體多為中新生代花崗巖體,而這些巖體的形成往往伴生金屬硫化礦床成礦作用的發生,大大小小的燕山期和喜馬拉雅期花崗巖巖體往往是富含硫化礦(黃鐵礦,黃銅礦等)的巖體,因此,與成巖成礦作用伴生發生的中低溫熱液蝕變作用以及高嶺石化、伊利石化蝕變作用是本區進行工程地質評價中不可回避的區域性工程地質問題。3.1巖體蝕變認識工程區巖體蝕變主要是指巖體中的長石高嶺土化、伊利石化。主要分布在斷層F53(PD201,PD203和PD105-1平硐所揭示)和f52(PD105平硐揭示)附近,這兩條斷層帶內巖石蝕變程度較強,蝕變帶厚度相對較大;其他個別小斷層及裂隙附近局部巖體也存在蝕變現象,但蝕變帶厚度較小,蝕變程度多以輕微蝕變為主(巖石的輕微變色現象)。F53斷層破碎帶及影響帶巖石均已嚴重蝕變,圖4所示為PD105-1揭露F53斷層因蝕變引起的塌方。在PD201中取F53斷層帶蝕變樣品進行室內試驗和礦物成分鑒定發現,此處巖體蝕變主要是巖體中的礦物長石高嶺石化及伊利石化。現場踏勘與平硐資料統計分析表明,該區巖體結構面蝕變主要有結構面長石次生高嶺石化和結構面綠泥石化兩種。結構面綠泥石化是工程區普遍存在的結構面蝕變現象,結構面綠泥石化使得巖體中節理、裂隙充填膠結,提高了巖體強度。結構面長石次生高嶺土化僅在較大規模斷層附近、斷層影響帶中與岸坡強卸荷帶內發育,一般沿著結構面形成次生泥膜,厚度一般不超過0.5cm。3.2氧化-水解法工程區巖體為喜馬拉雅期富含硫化礦(黃鐵礦,黃銅礦等)的花崗巖,成礦期的中低溫熱液蝕變作用,即片麻狀花崗巖斜長石的高嶺石化作用及伊利石化作用,將斜長石轉化為高嶺石,析出Ca2+或Na+(同時,殘余熱液中Cl-亦可析出)成巖后在巖體構造破裂后,在氧化-水解過程中,伴隨黃鐵礦(FeS2)、黃銅礦(CuFeS2)在氧化水解作用下,形成了大量的棕紅色Fe(OH)3膠體沉淀的同時,也形成了大量的SO42-(FeS2+O2+H2O→SO42-+Fe(OH)3↓),在酸性水的長期作用下亦可產生成巖后的高嶺石化作用。在排水條件良好的HCO3-型地下水強烈淋溶環境下,還可形成埃洛石,PD105-1支硐F53斷層帶內產生的大量棕色凝膠,取樣測定其含水量高達209.89%,pH為5.50,差熱分析結果表明,其以Al(OH)3為主,伴生Fe(OH)3膠體。巖石蝕變強烈地段(如斷層F53),張性斷層和張性裂隙會有擴容現象,表明它曾經作為地下水滲透通道。當水壓力達到一定值時,將使滲透通道內的部分細粒物質被帶走而形成潛蝕使,得滲透通道滲透系數加大,結構更為松散,強度更低,即發生滲透變形。3.3巖塊干燥飽和吸水率與蝕變巖結構巖石的蝕變會對巖體的變形產生較大的影響,蝕變產物多具有較強的崩解性和膨脹性。通過采用不規則干燥巖塊浸水崩解實驗和巖塊干燥飽和吸水率大小測試是進行蒙脫石化、高嶺石化、伊利石化蝕變巖判別和工程分級的有效方法和指標。表4所示為此次工程區兩岸平硐5個蝕變巖和1個“未蝕變巖”樣品測試結果。測試結果表明:蝕變巖干燥巖塊在水中的性狀與干燥巖塊飽和吸水率密切相關,吸水率越高,蝕變巖浸水后性狀越差,最差者呈泥砂狀,可進行工程分級,并在此基礎上進行不同蝕變程度原狀樣力學性質測試,以用于巖石工程性質評價。表4給出了蝕變巖樣品含水量和顆粒組成(質量分數),特別是黏粒、粉粒含量測定結果,顯示了巖石蝕變程度,但受取樣點地下水環境和蝕變后次生硅質膠結作用的影響,其靈敏度不如巖塊干燥飽和吸水率指標準確可靠。據巖石膨脹勢判別指標,表4中的5個蝕變巖樣屬于微膨脹性蝕變巖,巖塊干燥飽和吸水率介于10%~20%之間。同時,對右岸103號洞和113號洞2個提純(<0.05μm)樣品X線衍射(XRD)分析和熱分析(差熱分析與熱失重分析)結果(如圖5所示)表明,粒徑小于5μm的黏土顆粒是高嶺石和伊利石的混合物。伊利石為的形成是熱液成礦或地下水作用下花崗巖中大量鉀長石(正長石,微斜長石)蝕變的產物。高嶺石、伊利石均屬晶格不膨脹、物理化學活性弱、親水性較低的黏土礦物,因此由它們構成的蝕變巖具有較低的膨脹勢,由它們構成的斷層泥含水量、液限和塑性指數均不很高。但從滲透變形的角度來說,中低活性的黏土礦物更容易產生滲透變形。4結構面蝕變對工程地質的影響(1)工程區附近巖體以中酸性侵入巖為主,主要蝕變類型為長石高嶺石化與綠泥石部分取代巖石中的暗色礦物的綠泥石化。工程區NE和NW走向斷裂較發育,